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机械系统设计大作业(DOC)

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1 机械系统设计大作业 ——单自由度可开合手爪

学院 机电学院 专业 机械设计 班级 1108102 姓名 孙贺龙 指导教师 吴伟国 2

机械手的设计方案 对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它 们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及 在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象 (工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求 和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的 受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求; 尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现 柔性转换和编程控制. 本次设计的机械手爪是通用气动上下料机械手爪，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，动强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。

1.1机械手的座标型式与自由度 按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度 图1-1所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。 3

图 1-1 机械手的运动示意图 1.2 机械手的手部结构方案设计 夹持式手部。 1.3 机械手的手腕结构方案设计 考虑 到 机 械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

1.4 机械手的手臂结构方案设计 按照 抓 取 工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

1.5 机械手的驱动方案设计 由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉 4

因此本机械手采用气压传动方式。 1.6 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

1.7机械手的主要参数 1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以30公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为30公斤。 2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。 该机械手最大移动速度设计为1.2m/s，最大回转速度设计为120°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为90°/s。 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。 除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为1500mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为2400(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。 定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm

1.8机械手爪的技术参数列表 5

一、 用途: 夹取重物。 二、设计技术参数: 1、抓重 30公斤 (夹持式手部) 2、自由度数 1个自由度 3、座标型式 圆柱座标 4、最大工作半径 1500mm 5、手指夹持范围 棒料 : 80～150mm 片料 : 面 积不大于0.5m Z 6、驱动方式 气压传 动 6 图1- 6机械手的工作范围

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二 手部结构设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工 件是棒料时，使用夹持式手部:当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.1手指的形状和分类 夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

2.2设计时考虑的几个问题 (一)具有足够的握力(即夹紧力) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二)手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三)保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 8

(四)具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的 惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量 使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭 转力矩最小为佳。 (五)考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示.

2.3手部夹紧气缸的设计 1、手部驱动力计算 本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，其工件重量G=30公斤，“V”形手指的角度2=120°，b=400mm， R=80mm,摩擦系数为f=0.10 ，销钉直径10mm，扇形齿轮顶部圆直径20mm。

图3-2 齿轮齿条式手部 9

Fig.3-2 Gear Wheel Hand (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: NR2bP (2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 309.8735()2cos6040.1mgNNu



所以：

NR2bP=7350（N） (3)实际驱动力: 21KKPP实际 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94 ，并取1K=1.5. 若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: 212gaK 所以： 1.52=7350234570.94PN实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为23457N。 2、气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

ztFFpDF421 式中: 1F——活塞杆上的推力，N tF——弹簧反作用力，N

zF——气缸工作时的总阻力，N

P——气缸工作 压力，Pa 10

弹簧反作用按下式计算: SlCFft nDGdCf31418 12dDDt

式中: fC—— 弹簧刚度，N/m L—— 弹簧预压缩量，m S——活塞行程，m d1——弹簧钢丝直径，m Dt——弹簧平均直径，m D2——弹 簧外径，m

n —— 弹 簧 有效 圈数 G—— 弹簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 护Pa 在设计中，必须考虑负载率几的影响，则:

tFpDF421 由以上分析得单向作用气缸的直径:

pFFDt14 代入有关数据，可得： nDGdCf31418

mN/46.36771510308/105.3104.793439

 11

SlCFft

N6.22010606.33673

所以：pFFDt14 mm23.654.0105.0/6.22049042/16 查有关手册圆整，得D=65 mm 由d/D=O.2～0.3， 可得活塞杆直径:d=(0.2～0.3)D=13～19.5 mm 圆整后，取活塞杆直径d=18 mm

校核，按公式24/dFt 有: 2/1/4tFd 其中=120MPa, Ft=750N 则:d (47350/120)2/1 =8.8mm 18mm 满足设计要求。 3、缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 2/pDP 式中: 6—— 缸筒壁厚 mm

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简单的机械设计作品【机械设计大作业】

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简单的机械设计作品【机械设计大作业】《机械设计》齿轮设计程序#include#includefloatmin(floatx,floaty);floatmax(floatx,floaty);voidmain(){intB1,B2,b,z1,z2;floatP1,u,T1,Kt,FAId,CHlim1,CHlim2,S,n1,j,l,ZE,N1,N2,KHN 1,KHN2,d1t,v,mt,h,p,KA,KV,KH1,KH2,KF1,KF2,YFa1,YFa2,YSa1,YSa2,C FE1,CFE2,KFN1,KFN2,CH1,CH2,CH,CF1,CF2,a,d1,d2,m,w,K,bt,z1t,z2t,q;printf("请输入小齿轮的齿数z1和齿数比u:\n");scanf("%f%f",&z1t,&u);printf("下面进行齿面强度计算\n");printf("请输入输入功率P1,小齿轮的转速n1,j,齿轮工作时间l:\n");scanf("%f%f%f%f",&P1,&n1,&j,&l);T1=(9550000*P1)/n1;N1=60*n1*j*l;N2=N1/u;printf("T1=%10.4eN1=%10.4eN2=%10.4e\n",T1,N1,N2);printf("请输入接触疲劳寿命系数KHN1,KHN2:\n");scanf("%f%f",&KHN1,&KHN2);CH1=KHN1*CHlim1/S;CH2=KHN2*CHlim2/S;CH=min(CH1,CH2);printf("CH1=%10.4f\nCH2=%10.4f\nCH=%10.4f\n",CH1,CH2,CH);printf("\n");printf("请输入载荷系数Kt,齿宽系数FAId,弹性影响系数ZE:\n");scanf("%f%f%f",&Kt,&FAId,&ZE);q=pow(ZE/CH,2)*Kt*T1*(u+1)/(FAId*u);d1t=2.32*pow(q,1.0/3.0);v=3.1415926*d1t*n1/60000;bt=FAId*d1t;mt=d1t/z1t;h=2.25*mt;p=bt/h;printf("d1t=%10.4fv=%10.4fmt=%10.4fp=%10.4f\n",d1t,v,mt, p);printf("\n");printf("根据v,P和精度等级查KV,KH1,KF1,KH2,KF2,KA:\n");scanf("%f%f%f%f%f%f",&KV,&KH1,&KF1,&KH2,&KF2,&KA);K=KA*KV*KH1*KH2;d1=d1t*pow(K/Kt,1.0/3.0);m=d1/z1t;printf("d1=%10.4fm=%10.4f\n",d1,m);printf("\n");printf("请输入齿根弯曲强度计算所需的弯曲疲劳强度极限CFE1和CFE2,KFN1,KFN2,S:\n");scanf("%f%f%f%f%f",&CFE1,&CFE2,&KFN1, &KFN2,&S);CF1=KFN1*CFE1/S;CF2=KFN1*CFE2/S;K=KA*KV*KF1*KF2;printf("请输入齿形系数YFa1、YFa2和应力校正系数YSa1、YSa2\n");scanf("%f%f%f%f",&YFa1,&YFa2,&YSa1,&YSa2);w=max(YFa1*YSa1/CF1,YFa2*YSa2/CF2);m=pow(2*Kt*T1*w/(FAId*z1t*z1t),1.0/3.0);printf("m=%10.4f\n",m);printf("请根据上述计算值选取m:\n");scanf("%f",&m);z1t=d1/m;z2t=u*z1t;printf("z1t=%10.4fz2t=%10.4f\n",z1t,z2t);printf("请根据z1t,z2t选择合适的z1,z2:\n");scanf("%d%d",&z1,&z2);d1=z1*m;d2=z2*m;a=(d1+d2)/2;bt=FAId*d1;printf("bt=%f\n",bt);printf("请选择合适的b值:\n");scanf("%d",&b);B2=b;B1=B2+5;printf("z1=%dz2=%dd1=%5.2fd2=%5.2f\nm=%5.2f B2=%d\n",z1,z2,d1,d2,m,a,B1,B2);printf("\n");}floatmin(floatx,floaty){if(x>=y)returny;elsereturnx;a=%5.2fB1=%d}floatmax(floatx,floaty){if(x>=y)returnx;elsereturny;}程序中未说明的参数说明：z1,z2——小齿轮、大齿轮的齿数；d1,d2——小齿轮、大齿轮的分度圆直径；m——模数；a——中心距；B1,B2——大小齿轮的宽度；N1,N2——应力循环次数；K——载荷系数；KFN1,KFN2——弯曲疲劳寿命系数；j——齿轮每转一圈，同一齿面啮合的次数。

轴系设计大作业.docx

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机械设计作业任务书 (1)一、选择材料，确定许用应力 (2)二、按扭转强度估算轴径 (2)三、设计轴的结构 (2)轴段1和轴段7 (3)轴段2和轴段6 (3)轴段3和轴段5 (3)轴段4 (3)轴承座宽与轴段2、6的长度 (4)键槽 (4)四、轴的受力分析 (4)画轴的受力简图 (4)计算支承反力 (4)画弯矩图 (5)画转矩图 (6)五、校核轴的强度 (6)按弯扭合成强度计算 (7)轴的安全系数校核计算 (7)六、校核键连接的强度 (9)七、校核轴承的寿命 (9)计算当量动载荷 (9)校核寿命 (10)八、轴上其他零件设计 (10)键 (10)密封用毛毡圈 (10)两侧轴端挡板 (11)大带轮 (11)小齿轮 (11)九、轴承座及轴承端盖结构设计 (11)轴承座 (11)轴承端盖（透盖） (12)十、参考文献 (12)哈尔滨工业大学机械设计作业任务书题目:带式运输机结构简图见下图:原始数据如下:机器工作平稳，单向回转，成批生产方案Pm (KW)«m(r/min)"”什/min)k轴承座中心高H(mm)最短工作年限L工作环境537108021703年3班室内清洁选择材料，确定许用应力通过已知条件和查阅相关的设计手册得知，该传动机所传递的功率属于中小 型功率。

因此轴所承受的扭矩不大。

故选择45号钢，并进行调质处理。

（由于 45号钢成本适中，且经过调质处理后，可提高其综合性能，所以选为本轴的制 作材料。

）二、按扭转强度估算轴径对于转轴，按扭转强度初算直径：c/min > C \ "，”其中P 2——轴传递的功率，P =^,X77()1 = 3x0.95 = 2.85kW n m --- 轴的转速，r/minC ——由许用扭转剪应力确定的系数。

查表10.2得0106〜118,考虑轴端 弯矩比转矩小，取C=106o由于考虑到轴的最小直径处要安装大带轮，会有键槽存在，故将其扩大5%, 得 d k > 22.6474〃"”，按标准 GB2822-81 的 7?10 圆整后取 d l = 25mm三、设计轴的结构由于本设计中的轴需要安装带轮、齿轮、轴承等不同的零件，并且各处受力 不同，因此，设计成阶梯轴形式，共分为七段。

机械系统设计

机械系统设计

一，序论1.系统：指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体。

即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构功能的整体都是系统。

2.机械系统的组成：动力系统、执行系统、传动系统、操作和控制系统、支承系统及润滑、冷却等子系统组成3.产品的设计类型：完全创新设计、适应性设计、变异性设计4.机械系统给的设计要求：功能要求、适应性要求、可靠性要求。

生产能力要求、使用经济性要求、成本要求5.产品的产生过程分哪几个阶段：产品策划、产品设计、产品生产、产品销售、产品运转、产品报废或回收6.产品的设计过程分哪几个阶段：产品策划阶段、产品设计阶段（功能原理方案设计阶段、结构总体设计阶段和技术设计阶段）二．1.功能原理方案设计步骤：设计任务、求总功能、总功能求解、寻求子功能解、原理解组合、评价与决策、最佳原理方案2.黑箱法：根据系统输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法。

即根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应解决的方法，从而推求出“黑箱”的功能结构。

3.功能元、功能结构：将一个系统的总功能分解到不能再分解的基本功能单位为止。

这个基本功能单位就叫功能元。

机械设计常见的功能元（数学功能元、物理功能元、逻辑功能元）将总功能分解成分功能，并相应找出各分功能的原理方案，从而简化了实现总功能的原理构思。

反之，同一层次的功能单位组合起来，应能满足上一层功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能要求。

这种功能的分解和组合关系称为功能结构。

4.机械系统总体参数包括哪些：性能参数、尺寸参数、运动参数5.七个标准公比为：1.06、1.12、1.26、1.41、1.586.公比中变速范围Rn 与级数Z 之间的关系：1lg lg +=ϕRn Z 三1.执行系统的组成：由执行模锻件和与之相连的执行机构组成2.以机床的执行轴机构—主轴组件为例,介绍执行轴介绍的设计内容和要求：3.执行轴（主轴）结构通常设计成_阶梯_形状，一种是_中间粗两边细_另一种是_由主轴前端向后端逐步递减_的阶梯状。

机械创新设计大作业

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设计大作业
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图 2：垃圾桶三维
二维 Auto CAD 图如图 3 所示
图 3.车用垃圾箱二维 CAD 图
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图 4.车用垃圾桶部件示意图
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二：TRIZ 理论的应用 1.根据 TRIZ 理论中技术进化法则， 设想和规划如下产品的发展趋势 或技术路线 （1）轴承的发展路线 单排球轴 承 (2)手机—个人通讯设备 单功能通讯手机 短信通话手机 照相功能手机 娱乐音影手机 智能手机 多排球轴承 微球轴承 气体轴承 磁悬浮轴承
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中将为垃圾箱手持杆，当前很多垃圾箱并未有用于手持的部分，但是 在公交车上垃圾箱装满要及时处理，而为避免杂物将弄脏，对司机来 说和不便，所以我讲垃圾箱加上一个手持杆，但要将垃圾倒出时能很 方便；考虑强度问题，杆半径初步为 R=20；第三部分为手持杆尾的 吸盘， 主要用于将垃圾箱与公交车吸附一起， 这样可以讲垃圾箱固体， 从而解决垃圾箱移动问题，再设计中吸盘要能有足够面积，由 P= F S 得，力 F=PS，能承受垃圾箱整体重量。且橡胶吸盘可移动，方便司 机使用，最大程度节省公交车空间。
图 5：半自动黑板擦机构 各构件作用如下：
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1.黑板擦杆
2.主运动杆
3：黑板
4：杆，左右水平运动
设计说明：杆 1 与擦黑板的杆 2 为一曲柄滑块机构，杆 1 的圆周运 功带动 2 的运动。其中构件 4 垂直固定，只能做水平运动，主要作用 为保证 2 杆强度和垂直度，防止杆 2 的损害和擦除过程中的不均衡。 这种设计的半自动黑板擦，通过交流电机提供动力，使得整个机构运 动。能做到： （1） 力度适当，要能擦掉痕迹； （2） 能清除死角； （3） 操作容易，结构简单，去除痕迹快； （4） 闲置时，不影响正常板书